特性インピーダンス基板製造サービスの効果的な利用方法は


効果的な利用方法 1 高速化する半導体の電気信号をインピーダンス制御する!
現状の問題点は?

半導体の信号入出力は高速化しています。
高速な電気信号がプリント基板の信号配線を伝わるとき、インピーダンス(交流抵抗)が異なるところで電気信号が反射し、信号の波形が乱れ、半導体の誤動作につながります。
例えば、デジタル信号の「1(いち)0(ゼロ)」の並びを1周期として、DDR2メモリ・インタフェースでは最大266MHz、PCI Expressは1.25GHzです。

この反射を抑えるため、ドライバー(送り側)半導体とレシーバー(受け側)半導体との間の接続方法は、抵抗を挿入する位置によって、直列終端並列終端、これらの併用等があります。
すべての場合で、プリント基板の配線の特性インピーダンス制御が必要となります。

なお、プリント基板の配線の特性インピーダンスは、2種類の半導体間の信号伝送方式(1つの電気信号を伝えるために1本の配線を使用するシングルエンド伝送方式と、2本の配線を使う差動伝送方式)に対して、それぞれシングルエンド・インピーダンス(略してZo)、差動インピーダンス(略してZdiff)と呼ばれています。

シングルエンド伝送方式では、およそ100MHz以上でシングルエンド・インピーダンスの制御が重要になり、シングルエンド・インピーダンスの値としては50~65Ωが選ばれます。

差動伝送方式では400MHz以上になると差動インピーダンス制御が求められるようになり、差動インピーダンスの値は90~120Ωが一般的に選ばれています。

例として、高速なFPGAをドライバーとし、DDR2メモリがレシーバーの直列終端型1対1接続で、プリント基板の配線の長さが5cmの電気接続について、配線のシングルエンド・インピーダンスが適正な場合(50Ω)と、高すぎる場合(96Ω)の100MHzと166MHzにおけるDDR2の受信波形をシミュレーションした結果(図1)をご覧ください。

図1 シングルエンド・インピーダンス(Zo)制御のシミュレーション結果

配線の特性インピーダンスが適正な場合は、きれいな信号波形ですが、高すぎるときはオーバーシュートやアンダーシュートのある乱れた波形になります。

また、50Ω終端系の高速FPGA間の2.5Gbps(1.25GHz)差動信号伝送で、プリント基板の差動配線長が10cm、この差動配線の差動インピーダンスが適正な場合(100Ω)と、低すぎる場合(60Ω)について、受信波形をシミュレーションした結果(図2)をご覧ください。

図2 差動インピーダンス(Zdiff)制御のシミュレーション結果

配線の特性インピーダンスが適正な場合は、きれいな信号波形ですが、低すぎるときはジッタやノイズが増加し、波形が劣化します。

上記から、高速な信号が入出力する半導体を使うときは、プリント基板の配線の特性インピーダンス制御が必要となることがわかります。

そこでP板.comからのご提案!

P板.comでは、プリント基板の配線の特性インピーダンスを±10%の精度で制御したプリント基板を提供することができます。

特性インピーダンス検査用「テストクーポン」にて、TDR法を用いた抜き取り検査を行っております。

※ご希望によって、「テストクーポン」を製品と共に納品することや、「テストクーポン」の特性インピーダンス実測値を検査成績表としてご提出することが可能です。

シングルエンド・インピーダンス(Z0)測定用テストクーポン(サンプル)
差動インピーダンス(Zdiff)測定用テストクーポン(サンプル)
特性インピーダンスの実測風景

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効果的な利用方法 2 特性インピーダンスの各値に対応した設計仕様をご提供!
現状の問題点は?


プリント基板の配線の特性インピーダンスは、絶縁層(コア層)の厚みや配線の幅など、特に差動の場合は配線同士の間隔によって変化します。

一般的なシングルエンド・インピーダンスや差動インピーダンスの近似式は誤差が大きく、高価なシミュレーションツールによる計算でも誤差があることが知られています。

そこでP板.comからのご提案!

シングルエンド・インピーダンスと差動インピーダンスのそれぞれの値に対応した設計仕様(=配線幅と、差動の場合は配線間隙)の情報をご提供しております。

「特性インピーダンス基板製造基準書」の「3.4 層構成及び設計推奨値」をご参照ください。

  「特性インピーダンス基板製造基準書」


「特性インピーダンスコントロール基板をどのようにパターン設計したら良いのかわからない。」
→まずは、サポート窓口にお気軽に御問合せください。

一般的なパターン設計手順

① 使用する半導体のアプリケーションノートに記載の特性インピーダンス値を適用します。
記載が無ければ、プレ波形シミュレーションを行って特性インピーダンスの最適値を確認してください。

② シングル・差動インピーダンスそれぞれの値に対応した設計仕様(=配線幅と配線間隙)「特性インピーダンス基板製造基準書」に基づき、対象配線のパターン設計を行ってください。
特性インピーダンスコントロール配線専用にアパーチャを設け、アパーチャテーブル(Dコードリスト)に特性インピーダンスの指定値をご記載ください。
※拡張ガーバ(RS-274X)の場合、別途指示書に記載する必要がございます。
※DXFデータは、受付不可となります。

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